[发明专利]基于立体视觉的风洞模型外形监测方法

说明书

技术领域

本发明属航空航天工业的风洞试验技术领域，涉及一种用立体视觉技术监测风洞试验过程中模型外形的方法。

背景技术

为更逼真地表达风洞试验对象的外形细节，采用大尺寸风洞(如2.4m跨声速风洞等)进行试验成为发展趋势。但在大尺寸风洞中，即使试验模型采用合金钢制作，因高速压导致的试验模型变形量，仍然超出国家规范对变形量的限制，造成试验数据的质量急剧下降。特别是具有先进气动特性的翼型(如尖峰翼型，超临界翼型等)模型、大展弦比机翼、大后掠机翼的飞机模型以及细长的飞行器模型，几何外形的偏差将极大降低风洞试验结果的准确度。

为了得到淮确的实验数据，通常都要测量模型的变形以便对试验数据做修正。国外有的风洞为提高试验数据的淮确度，即使在未超过变形限制时，依然测量(或计算)模型变形，对试验数据做修正。

获得风洞试验模型变形量的方法分为理论计算与动态测量两类。其中，前者主要根据钢制试验模型的载荷分布，推算相应的变形，如美国的AEDC4.88米跨声速风洞就是根据钢制试验模型沿机翼展向的载荷分布，推算出沿翼展的扭转变形，据此修正试验数据，其缺点是推算出的变形精度不高，尤其是变形量较大时推算误差将迅速增加。

目前，常用的动态测量方法如下：

1)基于应变片监测模型外形的技术虽已相当成熟，但不足之处在于：测量点数量有限，并且布线繁杂，不易组网，易受电磁干扰、测量精度粗糙等。

2)基于光学仪器的模型二维空间变形监测方法，如欧洲的DNW-HST风洞就是这种方法实现模型变形的非接触测量，缺点是不能监测模型的三维空间变形量。

发明内容

本发明为了克服以上技术所存在问题，解决风洞试验过程中模型外形的监测难题，本发明提出基于立体视觉的风洞模型外形监测方法。

本发明的技术方案是：利用可编程光源，向风洞试验模型投射结构光，通过数量在2台及以上不同位置的摄像机拍摄模型的图像，根据图像上的视差信息解算出表达模型外形的三维坐标点集合，简称三维点云；找出三维点云中几何特征变化幅度大的点，作为特征点，并在模型上的对应位置作标记；然后在风洞试验过程中，用2台及以上不同位置的摄像机，获取不同时刻特征点的图像，利用图像视差算出特征点相应的三维坐标；最后，基于三维点云和各特征点的几何拓扑关系不变这一条件，根据不同时刻特征点的三维坐标，利用成熟插值方法(如代数法、迭代法等)得到风洞试验过程中模型在不同时刻的外形。

本发明的特点与优点为：

(1)在风洞试验过程中，实现非接触、无损的模型外形监测，对风洞试验没有任何干扰。

(2)几秒钟范围内，就可采集到模型外形的稠密三维点云，常用视觉系统可以达到0.02mm的精度，高精度的摄像系统，可以达到0.1微米的精度，显微视觉系统则可达到更高的精度。

(3)对于复杂外形，特征点数量过低会降低外形监测的精度，但特征点数量过多又会导致插值计算负荷增大。

(4)所需的硬件为计算机、可编程光源、摄像机、图像采集卡，硬件的技术成熟、可靠，成本低。

因此，本发明具有成本低、运行可靠等特点，特别适用于在风洞试验中监测试验模型的外形变化，也可用于其他处于弹性变形范围内的产品外形监测。

附图说明

图1：基于立体视觉的风洞模型外形监测方法原理图。

其中，附图标记：1-3是摄像机；4为可编程光源，指能产生计算机可控的光斑、网格或条纹等结构光的光学投影装置；5为图像采集卡；6为计算机；7为立体视觉图像处理软件，指“基于同一试验模型的多幅图像，计算模型外形的空间点在两幅图像中的视差，以此确定空间点的深度信息，进而构建模型的三维坐标点”的计算机软件；8为三维点云特征点提取软件，指“能从模型外形三维坐标点中提取斜率或曲率变化大的坐标点”的计算机软件；9为外形重构软件，指“能确定模型的三维坐标点间的几何拓扑关系，并据此根据特征点的变化插值拟合出模型其他三维坐标点的变化”；10为模型外形三维坐标点的显示软件，指“基于OpenGL或Direct3D等3D图形库”开发的模型外形三维坐标点的显示软件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，应用本发明基于立体视觉的风洞模型外形监测方法的系统组成如下：